(57)【要約】  暖房システムは、電力料金が廉価な第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部（１）と、生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部（２）と、蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部（３）と、第１の電力系統から電力の供給を受けて、放熱部（３）の放熱量を制御すると共に、第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を電力供給元（４）から取得した場合に、信号を受信してから第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、生熱部（１）に生成させる制御部（８）とを備える。
2012014406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電力系統、及び前記第１の電力系統より電力料金が廉価な第２の電力系統を通じて電力供給元から電力の供給を受けて、対象の温度を所定の範囲内に維持する暖房システムであって、
前記第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部と、
前記生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部と、
前記蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部と、
前記第１の電力系統から電力の供給を受けて、前記対象の温度が所定の範囲内に維持されるように前記放熱部の放熱量を制御すると共に、前記生熱部の生熱量を制御する制御部とを備え、
前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得した場合に、前記制御部は、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させる
暖房システム。
【請求項２】
該暖房システムは、さらに、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に前記放熱部から放熱される放熱量を予測する予測部を備え、
前記制御部は、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記予測部で予測された放熱量に相当する熱が前記蓄熱部に蓄熱されるように、前記生熱部を制御する
請求項１に記載の暖房システム。
【請求項３】
前記信号には、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している時間帯であるシャットオフ時間帯を特定する情報が含まれ、
前記暖房システムは、さらに、前記対象の温度及び外気温を検出する検出部を備え、
前記予測部は、前記検出部によって検出された前記対象の温度及び外気温に基づいて、前記シャットオフ時間帯における前記放熱部の放熱量を予測する
請求項２に記載の暖房システム。
【請求項４】
前記生熱部は、
液体冷媒に外気から熱を吸収させて蒸気冷媒を生成する蒸発器、前記蒸発器で生成された蒸気冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された蒸気冷媒と前記蓄熱部に保持されている蓄熱材との間で熱交換させて蓄熱材に蓄熱させる凝縮器、及び蒸気冷媒の圧力を低下させて液体冷媒を生成する膨張弁で構成されるヒートポンプサイクルとを備え、
少なくとも前記圧縮機は、前記第２の電力系統から電力の供給を受ける
請求項１〜３のいずれか１項に記載の暖房システム。
【請求項５】
前記生熱部は、さらに、複数の前記ヒートポンプサイクルと、前記複数のヒートポンプサイクルのうちの１つのみを使用して熱を生成する第１の状態、及び前記複数のヒートポンプサイクルをカスケード接続して熱を生成する第２の状態を相互に切り替える切替部とを備え、
前記制御部は、前記切替部を切り替えることによって、前記生熱部の生熱量を制御する
請求項４に記載の暖房システム。
【請求項６】
前記放熱部は、
前記蓄熱部に保持されている蓄熱材のうち、蓄熱量の異なる部分を所定の混合比で混合する混合弁と、
前記対象の近傍に配置され、蓄熱材に蓄熱されている熱を放熱するラジエータと、
前記混合弁で混合された蓄熱材を前記ラジエータに供給するポンプとを備え、
前記制御部は、前記混合弁における前記蓄熱材の混合比を変更することにより、前記放熱部の放熱量を制御する
請求項４又は５に記載の暖房システム。
【請求項７】
前記暖房システムは、
前記生熱部と、前記蓄熱部と、前記放熱部と、前記制御部とを有する暖房装置と、
前記予測部と、前記予測部で予測された放熱量に相当する熱を前記生熱部に生成させるための運転計画を作成して前記制御部に通知する運転計画部とを有し、前記暖房装置とは別体として構成される暖房システム制御部とを備え、
前記制御部は、前記運転計画部から前記運転計画を取得した場合に、当該運転計画に従って前記生熱部を制御する
請求項２〜５のいずれか１項に記載の暖房システム。
【請求項８】
第１の電力系統、及び前記第１の電力系統より電力料金が廉価な第２の電力系統を通じて電力供給元から電力の供給を受けて、対象の温度を所定の範囲内に維持する暖房システムを制御する暖房システム制御方法であって、
前記暖房システムは、
前記第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部と、
前記生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部と、
前記蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部とを備え、
前記暖房システム制御方法は、
前記第１の電力系統から電力の供給を受けて、前記対象の温度が所定の範囲内に維持されるように前記放熱部の放熱量を制御すると共に、前記生熱部の生熱量を制御する制御ステップを含み、
前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得した場合に、前記制御ステップでは、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させる
暖房システム制御方法。
【請求項９】
前記暖房システム制御方法は、さらに、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に前記放熱部から放熱される放熱量を予測する予測ステップを含み、
前記制御ステップでは、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記予測ステップで予測された放熱量に相当する熱が前記蓄熱部に蓄熱されるように、前記生熱部を制御する
請求項８に記載の暖房システム制御方法。
【請求項１０】
前記暖房システムは、さらに、前記対象の温度及び外気温を検出する検出部を備え、
前記暖房システム制御方法は、さらに、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している時間帯であるシャットオフ時間帯を特定する情報を含む前記信号を、前記電力供給元から取得する通信ステップを含み、
前記予測ステップでは、前記通信ステップで前記信号が取得された場合に、前記検出部によって検出された前記対象の温度及び外気温に基づいて、前記シャットオフ時間帯における前記放熱部の放熱量を予測する
請求項９に記載の暖房システム制御方法。
【請求項１１】
前記暖房システム制御方法は、さらに、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記予測ステップで予測された放熱量に相当する熱を前記生熱部で生成するための運転計画を作成する運転計画作成ステップを含み、
前記制御ステップでは、前記運転計画作成ステップで作成された前記運転計画に従って前記生熱部を制御する
請求項９又は１０に記載の暖房システム制御方法。
【請求項１２】
前記制御ステップでは、前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得していない場合、前記蓄熱部の蓄熱量が所定の蓄熱量となるように前記生熱部を制御する
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の暖房システム制御方法。
【請求項１３】
前記制御ステップでは、
前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間と、前記シャットオフ時間帯の後とに、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させ、
シャットオフ時間帯の前の生熱量は、シャットオフ時間帯後の生熱量よりも多い
請求項８〜１２のいずれか１項に記載の暖房システム制御方法。
【請求項１４】
第１の電力系統、及び前記第１の電力系統より電力料金が廉価な第２の電力系統を通じて電力供給元から電力の供給を受けて、対象の温度を所定の範囲内に維持する暖房システムを制御する暖房システム制御方法であって、
前記暖房システムは、
前記第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部を備え、
前記暖房システム制御方法は、
前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得した場合に、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させる
暖房システム制御方法。
【請求項１５】
前記暖房システムは、さらに
前記生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部と、
前記蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部とを備える
請求項１４に記載の暖房システム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は暖房システム、特にヒートポンプ温水暖房システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
欧州の一部の国（ドイツなど）におけるエネルギー供給業者は、電力負荷の平準化を目的として、顧客との契約において１日に所定の期間（以降、「シャットオフ時間帯」と呼ぶ）、所定の回数だけヒートポンプ暖房機の電源を外部から強制的に遮断（以降、「シャットオフ」と呼ぶ）することを許容することの代替として、安価な電力料金を提供している。【０００３】
このため、ヒートポンプ温水暖房機は、上記外部からの制御に対応するため、エネルギー供給業者からのリップル信号を受信すると電源がオンまたはオフとなるリレースイッチを備えている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「Project Planning and Installation Manual, Heat pumps for heating and hot water preparation」, Dimplex社、2007年10月（Ｐ12、Ｐ189）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記制御方式では、エネルギー供給業者からのシャットオフ信号を受信すると、ヒートポンプ温水暖房システムは直ちに運転を停止する。このため、時間の経過と共に室温が低下して、使用者の快適性を損なう恐れがある。特に、蓄熱タンクや住宅の躯体に十分に蓄熱しない状態で電源がオフされると、室温の低下が著しく、使用者の快適性を損なう。【０００６】
そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、シャットオフ信号によって電力の供給が一時的に停止した場合でも使用者の快適性を損なわない暖房システム及び暖房システム制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態に係る暖房システムは、第１の電力系統、及び前記第１の電力系統より電力料金が廉価な第２の電力系統を通じて電力供給元から電力の供給を受けて、対象の温度を所定の範囲内に維持する。具体的には、前記第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部と、前記生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部と、前記第１の電力系統から電力の供給を受けて、前記対象の温度が所定の範囲内に維持されるように前記放熱部の放熱量を制御すると共に、前記生熱部の生熱量を制御する制御部とを備える。そして、前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得した場合に、前記制御部は、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させる。【０００８】
上記構成の暖房システムによれば、第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間（シャットオフ時間帯）に必要となる熱を、廉価な電力を用いて予め生成し、蓄熱しておくことができる。これにより、シャットオフ時間帯においても対象の温度を所定の範囲内に維持することが容易となる。一方、電力供給元にとっては、第２の電力系統を通じて廉価な電力を供給するのと引き換えに、電力需要のピーク時間帯に電力の供給を停止して、電力の供給量を平準化することができるメリットがある。【０００９】
なお、「対象」とは、例えば、該暖房システムが空調である場合には「室内の空気」を指し、該暖房システムが床暖房である場合には「床面」を指し、該暖房システムが給湯器である場合には「水」を指すものとする。【００１０】
さらに、該暖房システムは、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に前記放熱部から放熱される放熱量を予測する予測部を備えてもよい。そして、前記制御部は、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記予測部で予測された放熱量に相当する熱が前記蓄熱部に蓄熱されるように、前記生熱部を制御してもよい。【００１１】
制御部は、信号（事前シャットオフ信号）を受信した場合に、蓄熱部に蓄熱可能な最大熱量を生熱部に生熱させてもよい。しかしながら、この方法では放熱ロスが大きくなると共に、電力消費量が大きく、廉価な電力を使用しているメリットを享受できなくなる。そこで、シャットオフ時間帯における放熱量を予測部で予測することにより、必要な量だけを生熱部に生熱させることができる。【００１２】
また、前記信号には、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している時間帯であるシャットオフ時間帯を特定する情報が含まれていてもよい。さらに、前記暖房システムは、前記対象の温度及び外気温を検出する検出部を備えてもよい。そして、前記予測部は、前記検出部によって検出された前記対象の温度及び外気温に基づいて、前記シャットオフ時間帯における前記放熱部の放熱量を予測してもよい。【００１３】
シャットオフ時間帯の放熱量の予測方法は特に限定されないが、例えば、予測部は、検出部によって検出された現在又は過去における対象の温度及び外気温に基づいて、まず、シャットオフ時間帯における対象の温度及び外気温等を予測する。そして、これらの予測結果に基づいて、シャットオフ時間帯に必要となる放熱量を予測すればよい。【００１４】
また、前記生熱部は、液体冷媒に外気から熱を吸収させて蒸気冷媒を生成する蒸発器、前記蒸発器で生成された蒸気冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された蒸気冷媒と前記蓄熱部に保持されている蓄熱材との間で熱交換させて蓄熱材に蓄熱させる凝縮器、及び蒸気冷媒の圧力を低下させて液体冷媒を生成する膨張弁で構成されるヒートポンプサイクルとを備えてもよい。そして、少なくとも前記圧縮機は、前記第２の電力系統から電力の供給を受けてもよい。【００１５】
上記構成のヒートポンプサイクルにおいて、最も電力消費量の大きい構成要素は圧縮機であるので、この圧縮機を廉価な電力で駆動させることにより、電力料金の上昇を有効に抑制することができる。なお、「蓄熱材」とは、典型的には水（温水）であるが、これに限定されない。【００１６】
さらに、前記生熱部は、複数の前記ヒートポンプサイクルと、前記複数のヒートポンプサイクルのうちの１つのみを使用して熱を生成する第１の状態、及び前記複数のヒートポンプサイクルをカスケード接続して熱を生成する第２の状態を相互に切り替える切替部とを備えてもよい。そして、前記制御部は、前記切替部を切り替えることによって、前記生熱部の生熱量を制御してもよい。【００１７】
各ヒートポンプサイクルで生成できる最大熱量は、使用する冷媒の種類に応じて決まる。そこで、異なる冷媒を使用する複数のヒートポンプサイクルを複数用意しておき、これら複数のヒートポンプサイクルの一部又は全部を組み合わせて使用することにより、生熱量を柔軟に変更することができる。【００１８】
また、前記放熱部は、前記蓄熱部に保持されている蓄熱材のうち、蓄熱量の異なる部分を所定の混合比で混合する混合弁と、前記対象の近傍に配置され、蓄熱材に蓄熱されている熱を放熱するラジエータと、前記混合弁で混合された蓄熱材を前記ラジエータに供給するポンプとを備えてもよい。そして、前記制御部は、前記混合弁における前記蓄熱材の混合比を変更することにより、前記放熱部の放熱量を制御してもよい。【００１９】
典型例として、蓄熱材が水であり、蓄熱部が水を貯蔵するタンクであるとすると、タンク内の各領域で水の温度は異なる。より具体的には、生熱部から還流する水（高温水）が流れ込む領域は相対的に高温であり、ラジエータから還流する水（低温水）が流れ込む領域は相対的に低温となる。そこで、制御部は、温度の異なる水の混合比を制御することにより、ラジエータに対して必要な熱を供給することができる。【００２０】
また、前記暖房システムは、前記生熱部と、前記蓄熱部と、前記放熱部と、前記制御部とを有する暖房装置と、前記予測部と、前記予測部で予測された放熱量に相当する熱を前記生熱部に生成させるための運転計画を作成して前記制御部に通知する運転計画部とを有し、前記暖房装置とは別体として構成される暖房システム制御部とを備えてもよい。そして、前記制御部は、前記運転計画部から前記運転計画を取得した場合に、当該運転計画に従って前記生熱部を制御してもよい。【００２１】
上記構成によれば、暖房装置のみならず、第２の電力系統に接続される他の機器の制御をも暖房システム制御部に行わせることができる。また、シャットオフに対する制御が必要ない環境で使用する場合には、暖房装置のみを設置すれば足りる。【００２２】
本発明の一形態に係る暖房システム制御方法は、第１の電力系統、及び前記第１の電力系統より電力料金が廉価な第２の電力系統を通じて電力供給元から電力の供給を受けて、対象の温度を所定の範囲内に維持する暖房システムを制御する方法である。具体的には、前記暖房システムは、前記第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部と、前記生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部とを備える。前記暖房システム制御方法は、前記第１の電力系統から電力の供給を受けて、前記対象の温度が所定の範囲内に維持されるように前記放熱部の放熱量を制御すると共に、前記生熱部の生熱量を制御する制御ステップとを含む。そして、前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得した場合に、前記制御ステップでは、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させる。【００２３】
さらに、前記暖房システム制御方法は、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に前記放熱部から放熱される放熱量を予測する予測ステップを含んでもよい。そして、前記制御ステップでは、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記予測ステップで予測された放熱量に相当する熱が前記蓄熱部に蓄熱されるように、前記生熱部を制御してもよい。【００２４】
さらに、前記暖房システムは、前記対象の温度及び外気温を検出する検出部を備えてもよい。また、前記暖房システム制御方法は、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している時間帯であるシャットオフ時間帯を特定する情報を含む前記信号を、前記電力供給元から取得する通信ステップを含んでもよい。そして、前記予測ステップでは、前記通信ステップで前記信号が取得された場合に、前記検出部によって検出された前記対象の温度及び外気温に基づいて、前記シャットオフ時間帯における前記放熱部の放熱量を予測してもよい。【００２５】
さらに、前記暖房システム制御方法は、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記予測ステップで予測された放熱量に相当する熱を前記生熱部で生成するための運転計画を作成する運転計画作成ステップを含んでもよい。そして、前記制御ステップでは、前記運転計画作成ステップで作成された前記運転計画に従って前記生熱部を制御してもよい。【００２６】
また、前記制御ステップでは、前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得していない場合、前記蓄熱部の蓄熱量が所定の蓄熱量となるように前記生熱部を制御してもよい。なお、「所定の蓄熱量」とは、典型的には、放熱部の放熱量を上回る熱量を指す。【００２７】
また、前記制御ステップでは、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間と、前記シャットオフ時間帯の後とに、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させてもよい。そして、シャットオフ時間帯の前の生熱量は、シャットオフ時間帯後の生熱量よりも多くてもよい。【００２８】
本発明の他の形態に係る暖房システム制御方法は、第１の電力系統、及び前記第１の電力系統より電力料金が廉価な第２の電力系統を通じて電力供給元から電力の供給を受けて、対象の温度を所定の範囲内に維持する暖房システムを制御する方法である。前記暖房システムは、前記第２の電力系統から供給される電力を用いて熱を生成する生熱部を備える。そして、前記暖房システム制御方法は、前記第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号を前記電力供給元から取得した場合に、前記信号を受信してから前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、前記第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、前記生熱部に生成させる。【００２９】
さらに、前記暖房システムは、前記生熱部で生成された熱を蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部に蓄熱されている熱を放熱する放熱部とを備えてもよい。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、電力供給元からの事前シャットオフ信号を受信すると、シャットオフ時間帯に必要となる熱を住宅の躯体またはタンクなどに蓄えた後に、暖房システムへの電力の供給を遮断することができる。このため、断熱性能の低い住宅でも室温の低下を軽減し、使用者の快適性を維持できる。また、既築市場への暖房システムの普及を促進することが可能で、系統電力の安定化に貢献しつつ地球温暖化対策に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、実施の形態１に係るヒートポンプ暖房システムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係るヒートポンプ暖房システムの詳細構成を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る混合弁の動作を示すフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態１に係る暖房システム制御部および制御部の動作の概要を示すフローチャートである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施の形態１に係る暖房システム制御部および制御部の動作の詳細を示すフローチャートである。
【図５Ａ】図５Ａは、比較例に係るシャットオフ時間帯の熱生成量の一例を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、比較例に係るシャットオフ時間帯の室温変化の一例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施の形態１に係るシャットオフ時間帯の熱生成量の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施の形態１に係るシャットオフ時間帯の室温変化の一例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システムの概略構成を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システムの詳細構成を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の形態２において、低圧側ヒートポンプサイクルのみを使用した場合のｐ−ｈ線図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態２において、低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとを組み合わせて使用した場合のｐ−ｈ線図である。
【図１０】図１０は、実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システムの動作を示すフローチャートである。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施の形態２において、低圧側ヒートポンプサイクルのみを使用した場合の熱生成量の一例を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、実施の形態２において、低圧側ヒートポンプサイクルのみを使用した場合の室温、及びタンク温度の一例を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、実施の形態２において、低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとをカスケード接続した場合の熱生成量の一例を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、実施の形態２において、低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとをカスケード接続した場合の室温、及びタンク温度の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の符号を用いることとする。
【００３３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房システムを示す図である。図１には、エネルギー供給業者（電力供給元）４から住宅に対して、第１及び第２の電力系統を通じて電力が供給されている。第１の電力系統は、安定的に電力が供給される電力系統である。また、第１の電力系統は、電力料金が相対的に高い電力系統であり、第１の電力メーター６によって電力消費量が計測される。一方、第２の電力系統は、エネルギー供給業者によって任意の時間帯に電力の供給を停止することができる電力系統である。また、第２の電力系統は、電力料金が第１の電力系統よりも廉価な電力系統であり、第２の電力メーター７によって電力消費量が計測される。
【００３４】
また、図１に示される住宅内には、電力負荷５と、暖房システム制御部８と、ヒートポンプ暖房装置１００とが設置されている。ヒートポンプ暖房装置１００は、ヒートポンプ１と、タンク２と、ラジエータ３とを少なくとも備えている。
【００３５】
ヒートポンプ（生熱部）１は、空気熱源のヒートポンプであり、冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）と水とを凝縮器（図示せず）を介して熱交換させることにより、高温の温水を生成するものである。タンク（蓄熱部）２は、ヒートポンプ１で生成した温水を蓄え、急激に外気温が低下した際などに、室温を一定に保つために必要な熱をまかなうためのバッファとして用いるものである。ラジエータ３は、タンク２から供給される温水を用いて室内を暖めるための機器である。ここでは、ヒートポンプ１、タンク２、及びラジエータ３を併せて、ヒートポンプ暖房装置１００と呼ぶ。
【００３６】
第１の電力メーター６は、暖房システム制御部８、ヒートポンプ暖房装置１００の一部（詳細については、後述する）、及びヒートポンプ暖房装置１００以外の機器（すなわち、電力負荷５）の消費電力を計測するものである。一方、第２の電力メーター７は、ヒートポンプ暖房装置１００のうち、主に、圧縮機、タンク２とヒートポンプ１との間で温水を循環させるために用いるポンプ、および蒸発器の熱交換を促進するためのファン等の電力消費を計測するものである（詳細については、後述する）。
【００３７】
暖房システム制御部８は、エネルギー供給業者４と通信を行う機能を有し、ヒートポンプ暖房装置１００に制御指令を与えるものである。エネルギー供給業者４は、各家庭に電力やガスを供給する会社であり、各家庭の電力の使用を抑制したい場合には、事前にシャットオフ信号（以降、「事前シャットオフ信号」と呼ぶ）を通じて各家庭に通知する。事前シャットオフ信号の通知の時間は、例えば、各家庭の電力の使用を抑制したい時間帯の２時間前などである。
【００３８】
図２は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房装置１００および暖房システム制御部８の詳細な構成図である。ヒートポンプ１は、外気と低温低圧の液体冷媒との間で熱交換させて低温低圧の蒸気冷媒を生成する蒸発器１６、低温低圧の蒸気冷媒を高温高圧の蒸気冷媒に圧縮するモーター駆動の圧縮機１５、高温高圧の蒸気冷媒とタンク２から循環される水（蓄熱材）との間で熱交換させて低温高圧の液体冷媒を生成する凝縮器１７、及び低温高圧の蒸気冷媒の圧力を下げて低温低圧の液体冷媒を生成する膨張弁１４で構成されるヒートポンプサイクルと、タンク２が所定の蓄熱量以上となるように圧縮機１５や第１のポンプ１８を制御したり、ラジエータ３に所定の温度の温水が循環するよう混合弁１９の混合比を決定したり、第２のポンプ２０の流量を調節する制御部２１と、蒸発器中の冷媒と外気との熱交換を促進させるファン２２とから構成される。
【００３９】
タンク２は、ヒートポンプ１により生成された温水を貯めておくものである。ヒートポンプ１とタンク２とは温水配管で結ばれており、第１のポンプ１８により、タンク２の下部の低温の湯をヒートポンプ１に循環させ、凝縮器１７で熱交換を行い高温の湯（例えば、５０℃）とした後に、タンク２の上部または中部に戻している。タンク２に一旦貯められた温水は、第２のポンプ２０により、住宅の各部屋に設置されたラジエータ３へと循環される。
【００４０】
ラジエータ３に循環された温水は、放熱パネルを介して室内に熱エネルギーを放出し、部屋を暖める。この際に、混合弁１９は、制御部２１の制御に従って、ラジエータ３の放熱温度が所定の暖房温度となるように、タンク２の上部の高温の温水、中部のやや中温の温水、ラジエータ３から戻ってくる低温の温水などを、所定の混合比で混合している。
【００４１】
制御部２１は、ラジエータ３が設置されている部屋の室温が所定の範囲内に維持されるようにラジエータ３の放熱量を制御すると共に、ヒートポンプ１の生熱量を制御する。より具体的には、事前シャットオフ信号をエネルギー供給業者４から取得した場合に、事前シャットオフ信号を受信してから第２の電力系統を通じた電力の供給が停止するまでの間に、第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している間に必要となる熱を上積みして、ヒートポンプ１に生成させる。
【００４２】
外気温検出部１０は、主に室外に設置され、外気温をサーモスタットなどで検出する。室温検出部１１は、主に室内に設置され、部屋の温度をサーモスタットなどで検出する。暖房流量検出部１２は、ヒートポンプ暖房装置１００の各配管に設置される流量センサであり、第１のポンプ１８や第２のポンプ２０によって循環される温水の流量を検出する。暖房温度検出部１３は、タンク２やヒートポンプ暖房装置１００の各配管に設置されるサーモスタットであり、タンク２の上部、中部、下部それぞれの温度、混合弁１９からラジエータ３に向かう温水の温度、ラジエータ３からタンク２に戻る温水の温度、ヒートポンプ１からタンク２へ向かう温水の温度、及びタンク２からヒートポンプ１へ戻る温水の温度などを検出する。
【００４３】
暖房システム制御部８は、通信部８１、状態検出部８２、予測部８３、運転計画部８４、制御切替部８５、及び制御指令部８６などから構成されている。なお、実施の形態１において、暖房システム制御部８は、ヒートポンプ暖房装置１００とは別体として構成されている。
【００４４】
通信部８１は、エネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号やオン信号を受信したり、第２の電力系統を通じたヒートポンプ暖房装置１００への電力の供給を遮断または再開した旨をエネルギー供給業者４へと通知したりする機能を有する。
【００４５】
通信部８１で受信される事前シャットオフ信号は、第２の電力系統を通じた電力の供給を所定時間経過後に停止することを示す信号である。この事前シャットオフ信号には、少なくとも第２の電力系統を通じた電力の供給が停止している時間帯である「シャットオフ時間帯」を特定する情報が含まれている。シャットオフ時間帯の特定方法は特に限定されないが、例えば、シャットオフの開始時間と終了時間とで特定してもよいし、事前シャットオフ信号の生成時刻を基準として、ｘ時間後（シャットオフの開始時刻）からｙ時間（シャットオフ時間）のように特定してもよい。
【００４６】
状態検出部８２は、外気温検出部１０、室温検出部１１、暖房流量検出部１２、及び暖房温度検出部１３が検出した各種の信号からヒートポンプ暖房装置１００が蓄熱している蓄熱量やラジエータ３が各部屋に放出している放熱量などの各種状態を検出するものである。
【００４７】
予測部８３は、状態検出部８２により検出した外気温、室温、暖房温度、及び暖房流量などの情報に基づいて、シャットオフ時間帯の暖房に必要な熱量（以降、「暖房負荷」と呼ぶ）の予測を行うアルゴリズムを有する。当該予測部８３は、予測の精度を向上させるために過去の蓄積情報をメモリなどの記憶媒体に記憶していても良い。予測の精度を向上させるための情報とは、例えば、過去の外気温とその時間帯における暖房負荷との関係式などである。
【００４８】
運転計画部８４は、通信部８１がエネルギー供給業者４から事前シャットオフ信号を受信すると、予測部８３によって予測されたシャットオフ時間帯に必要な暖房負荷を、所定の時間内に効率良く生成するための圧縮機１５、第１のポンプ１８、ファン２２、混合弁１９、及び第２のポンプ２０等の運転計画を立てるものである。
【００４９】
制御切替部８５は、通信部８１がエネルギー供給業者４から事前シャットオフ信号を受けていない場合には、ヒートポンプ暖房装置１００の制御部２１による、圧縮機１５、第１のポンプ１８、ファン２２、混合弁１９、及び第２のポンプ２０の制御（後述する）を優先させる。一方、事前シャットオフ信号を受けた際には、運転計画部８４が作成し、制御指令部８６から通知される運転計画に従って、制御部２１に前述の各構成要素を制御させる。制御指令部８６は、運転計画部８４によって立てられた運転計画を、ヒートポンプ暖房装置１００の制御部２１に送信するものである。
【００５０】
上記構成のヒートポンプ暖房装置１００のうち、第２の電力系統を介してエネルギー供給業者４から電力の供給を受けているのは、主に圧縮機１５、第１のポンプ１８およびファン２２などのヒートポンプ１で熱を生成してタンク２へと温水を循環させる役割を負う部分である。そして、これらの各構成要素は、エネルギー供給業者４の要望するシャットオフ時間帯に電力の使用を停止する。ここでは、圧縮機１５、第１のポンプ１８およびファン２２の電力の使用を停止しているが、この中で最も電力を消費するのは圧縮機１５であり、この圧縮機１５の電力使用だけを停止させてもよい。
【００５１】
一方、タンク２から混合弁１９、第２のポンプ２０を介してラジエータ３へ至る経路、すなわち各部屋の温度を維持するのに寄与する経路は、シャットオフ時間帯もラジエータ３への熱を供給する必要があるため、第１の電力系統を介して電力の供給を受ける。
【００５２】
暖房システム制御部８および制御部２１は、第１の電力系統を介して、エネルギー供給業者４から電力の供給を受けている。このため、シャットオフ時間帯でも、エネルギー供給業者４との通信を継続したり、暖房システム制御部８との通信を継続したりできる。また、制御部２１は、混合弁１９や第２のポンプ２０の制御をシャットオフ時間帯にも行うことができる。
【００５３】
図３は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房装置１００の制御部２１によって行われる、タンク２からラジエータ３に所定の温度の温水を供給するための混合弁１９の制御を示すフローチャートである。
【００５４】
制御部２１は、外気温検出部１０が検出した外気温度と、予め保有している外気温と目標暖房温度との関係式に基づいて、目標暖房温度を決定する（Ｓ００１）。この外気温と目標暖房温度との関係式は、例えばＤＩＮ(ドイツ工業規格)４７０２―８などがある。
【００５５】
次に、暖房温度検出部１３によって検出されたタンク上部、中部、下部それぞれの温水温度、ラジエータ３からタンク２に戻ってくる温水の温度等に基づいて、決定した暖房温度になるような温水の混合比を決定し（Ｓ００２）、当該混合比となるように混合弁１９を制御する（Ｓ００３）。この場合、第２のポンプ２０の流量は、一定流量としても良いし、室温検出部１１などによって検出された室温に基づいて、制御部２１が流量を制御しても良い。なお、制御部２１はシャットオフ時間帯であっても電力が供給され続けるので、当該制御は、シャットオフ時間帯であるかどうかに拠らない。
【００５６】
図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の実施の形態１に係る暖房システム制御部８および制御部２１によって行われる、主に事前シャットオフ信号を受信してからの制御を示すフローチャートを示すものである。まず、図４Ａに示されるフローチャートで処理の概要を説明し、その後図４Ｂに示されるフローチャートで処理の詳細を説明する。
【００５７】
図４Ａに示す通り、エネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号を受信した場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）、暖房システム制御部８および制御部２１は、必要となる熱を生熱するようにヒートポンプ１を制御する（Ｓ１２０）。
【００５８】
次に、暖房システム制御部８は、必要な蓄熱量に到達したかどうかを判断する（Ｓ１０６）。そして、必要な蓄熱量になっていない場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、Ｓ１２０のステップに戻り、生熱を継続する。一方、必要な蓄熱量に到達した場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、事前の生熱による蓄熱を終了する。
【００５９】
次に、図４Ａに示した処理（特に、ステップＳ１２０）の詳細を、図４Ｂを用いて説明する。制御切替部８５は、通信部８１がエネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号を受信したかどうかを判定し（Ｓ１００）、事前シャットオフ信号を受信していない場合（Ｓ１００：ＮＯ）には制御部２１の制御指令を優先する（Ｓ１０９）。
【００６０】
ここで、制御部２１の制御指令は、タンク２に暖房に必要な所定の熱量（すなわち、ラジエータ３の放熱量を上回る熱量）を蓄熱するためのものである。必要な所定の熱量が蓄熱されているかどうかは、例えばタンク２の上部、中部、下部それぞれの温度を検出すれば、タンク２の容量は既知（例えば、２００Ｌなど）であるので、算出が可能である。
【００６１】
すなわち、まず制御部２１は、暖房温度検出部１３の検出したタンク２の上部、中部、下部それぞれの温度により、タンク２に蓄熱している熱量を算出する（Ｓ１１０）。そして、タンク２の熱量が所定の値以下でないかを判定する（Ｓ１１１）。所定の値以下の場合には（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、所定の熱量以上となるように、不足する熱をヒートポンプ１で生成すべく、圧縮機１５の回転数、第１のポンプ１８の流量、及びファン２２の回転数などを設定（Ｓ１１２）し、当該各部分に制御指令を送る（Ｓ１１３）。一方、所定の値以上の場合（Ｓ１１１：ＮＯ）には、これ以上の蓄熱は不要と判断して、圧縮機１５、第１のポンプ１８、及びファン２２の動作を停止する（Ｓ１１４）。
【００６２】
一方、通信部８１がエネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号を受信した場合（Ｓ１００：ＹＥＳ）には、制御切替部８５は、制御指令部８６の制御指令を優先する（Ｓ１０１）。制御指令部８６の制御指令は、運転計画部８４が設定したシャットオフ時間帯に必要となる熱を蓄熱するための運転計画に基づいてなされる。この蓄熱された熱（シャットオフ時間帯に必要な熱）は、ラジエータ３などの放熱部から放熱される。
【００６３】
すなわち、状態検出部８２が、暖房温度検出部１３の検出したタンク２の上部、中部、下部それぞれの温度により、タンク２に蓄熱している熱量を算出する（Ｓ１０２）。次に、予測部８３は、外気温検出部１０及び室温検出部１１に基づいて、シャットオフ時間帯に必要となる暖房負荷を予測する（Ｓ１０３）。
【００６４】
次に、運転計画部８４が、シャットオフまで（例えば、２時間後）に、現在タンク２に蓄熱されている熱量とシャットオフ時間帯に必要となる暖房負荷との差分の熱を、ヒートポンプ１で生成する運転計画を立てる（Ｓ１０４）。つまり、Ｓ１０４で生熱される熱量は、室温を設定温度に保つために必要な熱量に、この差分の熱量を上積みした熱量に相当する。また、運転計画の立て方としては、例えばなるべく外気温が高いときに圧縮機１５やファン２２を運転するなど、ヒートポンプ１のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）がなるべく高い状態で運転させることが望ましい。
【００６５】
制御指令部８６は、このようにして得られた運転計画に従って圧縮機１５、第１のポンプ１８、及びファン２２を制御するように制御部２１に通知する（Ｓ１０５）。制御部２１は、制御指令部８６から取得した運転計画に従ってヒートポンプ１を制御することにより、予測部８３で予測された放熱量に相当する熱がタンク２に蓄熱される。
【００６６】
以上の操作を、タンク２に必要な熱量が蓄熱されるまで繰り返し（Ｓ１０６：ＮＯ）、必要量に達した場合（Ｓ１０６:ＹＥＳ）、圧縮機１５、第１のポンプ１８、ファン２２への電力供給を停止し（Ｓ１０７）、エネルギー供給業者４に通知する（Ｓ１０８）。
【００６７】
図５Ａ及び図５Ｂは、比較例としてのヒートポンプ暖房システムの熱生成量（図５Ａ）および室温変化（図５Ｂ）の１日の推移を示す図である。また、図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ暖房装置１００の熱生成量（図６Ａ）および室温変化（図６Ｂ）の１日の推移を示す図である。
【００６８】
図５Ａおよび図６Ａは、それぞれ比較例としてのヒートポンプ暖房システムおよび本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房装置１００の生成する熱量の時間変化である。ここで、シャットオフ時間帯は、１２：００から１３：００までと、１８：００から１９：００までの１日２回、各１時間である。また、図６Ａに示すように、事前シャットオフ信号を１０：００と１６：００とに受信している。
【００６９】
また、図５Ｂおよび図６Ｂは、それぞれ比較例のヒートポンプ暖房システムおよび本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房装置１００が設置されている住宅の室温の変化を示す図であり、設定温度（暖房温度）を２０℃としている。なお、いずれにおいてもヒートポンプの１日の平均ＣＯＰは、２．３程度であるので、実際の消費電力量は図５Ａおよび図６Ａに示される縦軸の熱量をＣＯＰで除した値となる。
【００７０】
比較例としてのヒートポンプ暖房システムの場合、シャットオフ時間帯が予め通知されないので、タンクや住宅の躯体に十分な蓄熱がなされない状態でヒートポンプ暖房システムがオフされてしまう。つまり、図５Ａに示されるように、シャットオフ時間帯に必要な熱量（図５Ａのドットで示される面積）を、シャットオフ時間帯終了後に生成している（図５Ａの斜線で示される面積）。
【００７１】
このため、図５Ｂに示されるように、シャットオフ時間帯の室温と設定温度２０℃との差が大きくなり、使用者の快適性に影響を与え得る。特に、住宅の断熱性能が低い場合は、当該シャットオフ時間帯の室温の低下が著しくなる。
【００７２】
本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房装置１００によれば、予めシャットオフ時間帯を通知された上で、シャットオフ時間帯の開始時間までに室温を高くしたり、必要な熱量をタンク２に蓄えたりできる。つまり、図６Ａに示されるように、シャットオフ時間帯に必要な熱量（図６Ａのドットで示される面積）の大部分を、シャットオフ時間帯開始前に生成している（図６Ａの斜線で示される面積）。よって、ヒートポンプ暖房装置１００は、シャットオフ時間帯開始前の、室温を２０℃近辺に保持するのに必要な熱に、シャットオフ時間帯に必要な熱量を上積みして熱を生成する。
【００７３】
ヒートポンプ暖房装置１００のタンク２にも温水容量に制限があるため、シャットオフ時間帯に必要な全ての熱量を事前に生成できない場合もある。その場合には、図６Ａで示すとおり、シャットオフ時間帯が終了し、ヒートポンプ暖房装置１００の運転開始時（１３：００、１９：００）に、設定した室温（２０℃）を保持するのに必要な熱量に加えて、多めの熱を生成するようにヒートポンプ暖房装置１００を制御することになる。
【００７４】
このため、図６Ｂに示されるように、シャットオフ時間帯の終了後における室温と設定温度２０℃との差が小さくなる。これにより、使用者の快適性を損なわずに、系統電力の安定化に寄与することができ、安価な電力料金を享受できる。この場合、系統電力の安定化に寄与できた電力のシャットオフ量は、約１．３ｋＷ（５．７２ｋＷｈ／（ＣＯＰ２．２×２時間））である。
【００７５】
以上のように、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ暖房装置１００および暖房システム制御部８によれば、予めエネルギー供給業者４からのシャットオフ時間帯を特定するための通知を受けて、シャットオフ時間帯の暖房に必要な暖房負荷を予測し、不足分を所定の時間内に生成しておくことができる。このため、使用者の快適性を損なうことなく、系統の安定化に寄与することができ、それによる安価な電力料金を享受できる。このため、既存の住宅性能の高い新築向けのヒートポンプ暖房システム市場から、住宅性能の低い既築の暖房システム入れ替え時にも低電力料金のシャットオフに対応したヒートポンプ暖房システムの導入に貢献できる。
【００７６】
なお、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ１は、空気熱源のヒートポンプ１としたが、地中熱源のヒートポンプ、水熱源のヒートポンプでも構わない。この場合においては、シャットオフ時間帯にファン２２の替わりに熱源側のブラインまたは水の循環ポンプの運転を停止させることができる。
【００７７】
また、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ暖房システムの具体例として、ラジエータ３を設置した部屋の室温を所定の範囲（２０℃前後）に維持する空調システムを説明したが、これに限ることなく、床面の温度を所定の範囲に維持する床暖房システム、又は水の温度を所定の範囲に維持する給湯システムとしても応用できる。
【００７８】
また、本発明の実施の形態１においては、暖房システム制御部８は、エネルギー供給業者４と通信することとしたが、通信先はエネルギー供給業者に限らない。例えば、特定の企業がエネルギー供給業者に対して電力平準化のサービス事業を行う場合には、当該企業と通信を行うこととなる。
【００７９】
また、本発明の実施の形態１においては、通信部８１は、圧縮機１５、第１のポンプ１８、及びファン２２への電力供給を停止した際にエネルギー供給業者４に通知することとしたが、必ずしも通知する必要はない。
【００８０】
エネルギー供給業者４との通信の規則は特に限定されるものでなく、（１）エネルギー供給業者４からの電力使用量の削減を目的とした事前通知信号の受信、（２）当該信号をきっかけとしてヒートポンプ暖房装置１００の制御を行うことで必要な蓄熱を実施した後に、電力の使用を停止する、という２点が実現されれば良い。
【００８１】
また、本発明の実施の形態１においては、エネルギー供給業者４と暖房システム制御部８との通信手段、暖房システム制御部８と制御部２１との通信手段、制御部２１と圧縮機１５、第１のポンプ１８、ファン２２、混合弁１９、第２のポンプ２０との通信手段などは、特に限定されるものではない。
【００８２】
また、本発明の実施の形態１に係る暖房システム制御部８は、シャットオフ時間帯に必要な暖房の熱量を予測することとしたが、予測機能は有さなくてもよい。すなわち、暖房システム制御部８は、シャットオフ時間帯を特定するための通知を受信した場合には、タンク２に蓄えられるだけの最大熱量（例えば、２００Ｌの温水タンクで５０℃の温水を蓄熱する場合、１１．６ｋＷ）を生成するような制御指令を制御部２１に送信しても良い。但し、この場合、放熱ロスが大きくなるため、必要な熱量以上の蓄熱は、消費エネルギー量が多くなってしまい、電力料金が高くなる。
【００８３】
また、本実施の形態１に係る暖房システム制御部８は、ヒートポンプ暖房装置１００と一体にはなっていない。暖房システム制御部８を分離して設置しておくことで、ヒートポンプ暖房装置１００以外の機器（例えば、乾燥機、洗濯機、及び食器洗い機など）についても、シャットオフ時間帯の電力使用を停止するための制御（いわゆるピークシフト制御）をすることが可能となる。
【００８４】
（実施の形態２：ＨＰがカスケードタイプ）
本実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる部分について説明する。
【００８５】
図７は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システム２００を表す図である。図７に示されるヒートポンプ暖房システム２００は、暖房システム制御部４０と、ヒートポンプ３０と、タンク２と、ラジエータ３とが一体として構成されている点で、図１と相違する。
【００８６】
ヒートポンプ３０は、空気熱源のヒートポンプであり、冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）と水とを凝縮器（図示せず）を介して熱交換させることにより、高温の温水を生成するものである。タンク２は、ヒートポンプ３０で生成した温水を蓄え、急激に外気温が低下した際などに、室温を一定に保つために必要な熱をまかなうためのバッファとして用いるものである。ラジエータ３は、タンク２から供給される温水を用いて室内を暖めるための機器である。暖房システム制御部４０は、第１の電力系統を介して電力の供給を受けて、エネルギー供給業者４との通信、及びヒートポンプ３０の制御等を行う。ここで、ヒートポンプ暖房システム２００は、主に暖房システム制御部４０と、ヒートポンプ３０と、タンク２と、ラジエータ３とから構成される。
【００８７】
第１の電力メーター６は、ヒートポンプ暖房システム２００の一部、及びヒートポンプ暖房システム２００以外の機器（電力負荷５）の消費電力を計測するものである。一方、第２の電力メーター７は、ヒートポンプ暖房システム２００のうち、圧縮機、タンク２とヒートポンプ１との間で温水を循環させるために用いるポンプ、および蒸発器の熱交換を促進するためのファン等の電力消費を計測するものである（詳細については、後述する）。
【００８８】
エネルギー供給業者４は、各家庭に電力やガスを供給する会社であり、各家庭の電力の使用を抑制したい場合には、事前にシャットオフ信号（以降、「事前シャットオフ信号」と呼ぶ）を通じて各家庭に通知する。事前シャットオフ信号の通知の時間は、例えば、各家庭の電力の使用を抑制したい時間帯の２時間前などである。
【００８９】
図８は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システム２００の詳細な構成図である。なお、タンク２に接続される混合弁１９、第２のポンプ２０、及びラジエータ３の構成は図２と同様であるので、図８では図示を省略している。
【００９０】
ヒートポンプ３０は、低圧側ヒートポンプサイクルと、高圧側ヒートポンプサイクルの２つを有する。そして、この２つのヒートポンプサイクルは、いわゆるカスケード接続されている。
【００９１】
低圧側ヒートポンプサイクルは、外気と低温低圧の液体冷媒（例えば、Ｒ４１０Ａ）との間で熱交換させて低温低圧の蒸気冷媒を生成する第１の蒸発器５１、低温低圧の蒸気冷媒を高温高圧の蒸気冷媒に圧縮するモーター駆動の第１の圧縮機５２、高温高圧の蒸気冷媒と高圧側ヒートポンプサイクルの冷媒（例えば、Ｒ１３４ａ）との間で熱交換させて低温高圧の蒸気冷媒を生成する第１の凝縮器５３、及び低温高圧の蒸気冷媒の圧力を下げて低温低圧の液体冷媒を生成する第１の膨張弁５４から構成される。また、第１の蒸発器中の冷媒と外気との熱交換を促進させるファン２２が取り付けられている。
【００９２】
また、高圧側ヒートポンプサイクルは、低圧側ヒートポンプサイクルの冷媒と低温低圧の液体冷媒との間で熱交換させて低温低圧の蒸気冷媒を生成する第２の蒸発器５５、低温低圧の蒸気冷媒を高温高圧の蒸気冷媒に圧縮するモーター駆動の第２の圧縮機５６、高温高圧の蒸気冷媒と水（蓄熱材）との間で熱交換させて低温高圧の蒸気冷媒を生成する第２の凝縮器５７、及び低温高圧の蒸気冷媒の圧力を下げて低温低圧の液体冷媒を生成する第２の膨張弁５８から構成される。
【００９３】
切替弁６０は、第１の圧縮機５２で生成された高温高圧の蒸気冷媒を、第２の蒸発器５５中を流れる液体冷媒と熱交換をさせるために第１の凝縮器５３に循環させるか、または第３の凝縮器５９中を流れる温水と熱交換させるために第３の凝縮器５９に循環させるかのいずれかを切り替えるための弁である。
【００９４】
温水切替弁６１は、第１のポンプ１８から循環された温水を、やや低温（例えば、５０℃）の暖房用温水を得るために第３の凝縮器５９に向かわせるか、または高温（例えば、７０℃）の蓄熱用温水を得るために第２の凝縮器５７へと向かわせるかを切り替えるものであり、切替弁６０と連動して動作する。
【００９５】
すなわち、切替弁６０が蒸気冷媒を第３の凝縮器５９へと循環させる場合に、温水切替弁６１は、温水を第３の凝縮器５９へと循環させる。これにより、通常の暖房時（以降、「暖房運転」と呼ぶ）に使用するための５０℃程度の温水が、低圧側ヒートポンプサイクルのみにより第３の凝縮器５９から得られる（第１の状態）。一方で、切替弁６０が蒸気冷媒を第１の凝縮器５３へと循環させる場合に、温水切替弁６１は、温水を第２の凝縮器５７へと循環させる。これにより、シャットオフ時間帯に蓄熱するための７０℃程度の温水が、低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとにより第２の凝縮器５７から得られる（第２の状態）。そして、上記の切替弁６０及び温水切替弁６１は、暖房システム制御部４０の制御に従って、第１及び第２の状態を相互に切り替える切替部として動作する。
【００９６】
タンク２は、ヒートポンプ３０により生成された温水を貯めておくものである。ヒートポンプ３０とタンク２とは温水配管で結ばれており、第１のポンプ１８により、タンク２の下部の低温のお湯をヒートポンプ３０に循環させ、第２の凝縮器５７または第３の凝縮器５９で熱交換を行った後に、タンク２の上部または中部に戻している。タンク２に一旦貯められた温水は、住宅の各部屋へと循環される。タンク２から各部屋への経路やその制御については、実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
【００９７】
暖房システム制御部４０は、ヒートポンプ３０の制御を行う部分であり、通信部４１、状態検出部４２、予測部４３、運転計画部４４、制御切替部４５、制御指令部４６などから構成されている。
【００９８】
通信部４１は、エネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号やオン信号を受信したり、第２の電力系統を通じたヒートポンプ暖房システム２００への電力の供給を遮断または再開した旨をエネルギー供給業者４へと通知したりする機能を有する。
【００９９】
状態検出部４２は、外気温検出部１０、室温検出部１１、暖房流量検出部１２、及び暖房温度検出部１３が検出した各種の信号からヒートポンプ暖房システム２００が蓄熱している熱量などの各種状態を検出するものである。
【０１００】
予測部４３は、状態検出部４２により検出した外気温、室温、暖房温度、及び暖房流量などの情報に基づいて、シャットオフ時間帯の暖房に必要な暖房負荷の予測を行うアルゴリズムを有する。
【０１０１】
運転計画部４４は、通信部４１がエネルギー供給業者４から事前シャットオフ信号を受信すると、予測部４３によって予測されたシャットオフ時間帯に必要な暖房負荷を、所定の時間内に効率良く生成するための第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６、第１のポンプ１８、及びファン２２等の運転計画を立てるものである（以降、「蓄熱運転」と呼ぶ）。
【０１０２】
制御切替部４５は、通信部４１がエネルギー供給業者４から事前シャットオフ信号を受けていない場合には暖房運転を優先し、事前シャットオフ信号を受けた際に蓄熱運転を優先させるように制御の優先度を切り替えるものである。制御指令部４６は、運転計画部４４によって立てられた運転計画に基づいて、第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６、第１のポンプ１８、及びファン２２等を制御する部分である。
【０１０３】
ヒートポンプ暖房システム２００のうち、第２の電力系統を介してエネルギー供給業者４から電力の供給を受けているのは、主に第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６、第１のポンプ１８およびファン２２などのヒートポンプ３０で熱を生成してタンク２へと温水を循環させる役割を負う部分であり、エネルギー供給業者４の要望するシャットオフ時間帯に電力の使用を停止する。
【０１０４】
暖房システム制御部４０は、第１の電力系統を介して、エネルギー供給業者４から電力の供給を受けている。このため、シャットオフ時間帯でも、エネルギー供給業者４との通信を継続できる。
【０１０５】
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の実施の形態２における暖房運転時と蓄熱運転時のヒートポンプサイクルの模式図である。より具体的には、図９Ａは暖房運転の場合の圧力-エンタルピー線図（ｐ−ｈ線図）、図９Ｂは蓄熱運転の場合のｐ−ｈ線図である。
【０１０６】
図９Ａは、低圧側ヒートポンプサイクルのみが動作する場合を説明するものである。また、冷媒の一例であるＲ４１０Ａのｐ−ｈ特性を破線で示している。つまり、Ｒ４１０Ａは、破線の内側の領域で液体と気体とが混在した状態であり、破線の左側の領域で液体の状態であり、破線の右側の領域で気体の状態である。
【０１０７】
第１の蒸発器５１で外気と熱交換を行った液体冷媒は低温低圧の蒸気冷媒となる（Ｄ→Ａ）。次に、第１の圧縮機５２により高温高圧の蒸気冷媒へと圧縮される（Ａ→Ｂ）。次に、切替弁６０を介して第３の凝縮器５９へ流入した蒸気冷媒は、温水切替弁６１を介して第３の凝縮器へと流入した水と熱交換を行い、低温高圧の液体冷媒となる（Ｂ→Ｃ）。さらに、第１の膨張弁５４により低温低圧の液体冷媒となり(Ｃ→Ｄ)、再び第１の蒸発器５１へと戻る。これにより、暖房に必要な５０℃程度の温水を得られる。
【０１０８】
図９Ｂは、低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとの組み合わせ運転の場合を説明するものである。また、低圧側ヒートポンプサイクルの冷媒の一例であるＲ４１０Ａのｐ−ｈ特性を破線で、高圧側ヒートポンプサイクルの冷媒の一例であるＲ１３４ａのｐ−ｈ特性を一点鎖線で示している。つまり、高圧側ヒートポンプサイクルに使用される冷媒（Ｒ１３４ａ）は、低圧側ヒートポンプサイクルに使用される冷媒（Ｒ４１０Ａ）よりもｐ−ｈ特性が高いことを示している。
【０１０９】
第１の蒸発器５１で外気と熱交換を行った液体冷媒は低温低圧の蒸気冷媒となる（Ｄ→Ａ）。次に、第１の圧縮機５２により高温高圧の蒸気冷媒へと圧縮される（Ａ→Ｂ’）。次に、切替弁６０を介して第１の凝縮器５３へ流入した蒸気冷媒は、第２の蒸発器５５へと流入した高圧側ヒートポンプサイクルの液体冷媒と熱交換を行い、低温高圧の液体冷媒となる（Ｂ’→Ｃ’）。さらに、第１の膨張弁５４により低温低圧の液体冷媒となり(Ｃ’→Ｄ)、再び第１の蒸発器５１へと戻る。
【０１１０】
高圧側ヒートポンプサイクルにおいては、第２の蒸発器５５で低圧側ヒートポンプサイクルの蒸気冷媒と熱交換を行った液体冷媒は、低温低圧の蒸気冷媒となる（Ｆ→Ｅ）。次に、第２の圧縮機５６により高温高圧の蒸気冷媒へと圧縮される（Ｅ→Ｈ）。次に、第２の凝縮器５７へ流入した蒸気冷媒は、温水切替弁６１を介して第２の凝縮器へと流入した水と熱交換を行い、低温高圧の液体冷媒となる（Ｈ→Ｇ）。さらに、第２の膨張弁５８により低温低圧の液体冷媒となり(Ｇ→Ｆ)、再び第２の蒸発器５５へと戻る。
【０１１１】
これにより、７０℃程度の温水が得られ、シャットオフ時間帯に備えて予め高温の温水を貯めておくことが可能となる。なお、図９Ｂに示す低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとの組み合わせは、シャットオフ時間帯に対応するための蓄熱運転のみに使用されるものではない。すなわち、断熱性能の低い住宅において、高温の温水暖房を使用する際においても有用である。
【０１１２】
図１０は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システム２００の制御フローチャートを示すものである。
【０１１３】
制御切替部４５は、通信部４１がエネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号を受信したかどうかを判定し（Ｓ２００）、受信していない場合（Ｓ２００:ＮＯ）には暖房運転を継続する（Ｓ２０９）。ここでの制御指令部４６の制御指令は、タンク２に暖房に必要な所定の熱量を蓄熱するためのものである。
【０１１４】
すなわち、状態検出部４２は、暖房温度検出部１３の検出したタンク２の上部、中部、下部の温度により、タンク２に蓄熱している熱量を算出する（Ｓ２０９）。そして、タンク２の熱量が所定の値以下でないかを判定する（Ｓ２１０）。
【０１１５】
所定の値以下の場合に（Ｓ２１０：ＹＥＳ）は、運転計画部４４が、所定の熱量以上になるように不足する熱をヒートポンプ３０で生成すべく、第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６の回転数、第１のポンプ１８の流量、ファン２２の回転数などを設定し（Ｓ２１１）、制御指令部４６がこれらに制御指令を送る（Ｓ２１２）。所定の値以上の場合（Ｓ２１０:ＮＯ）には、これ以上の蓄熱は不要と判断して、第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６、第１のポンプ１８、ファン２２を停止する（Ｓ２１３）。
【０１１６】
一方、通信部４１がエネルギー供給業者４からの事前シャットオフ信号を受信した場合（Ｓ２００：ＹＥＳ）には、制御切替部４５は、蓄熱運転を優先する。制御指令部４６の制御指令は、運転計画部４４が設定した、シャットオフ時間帯に必要となる暖房負荷を蓄熱しておくための運転計画に基づいてなされる。
【０１１７】
すなわち、状態検出部４２は、暖房温度検出部１３の検出したタンク２の上部、中部、下部の温度により、タンク２に蓄熱している熱量を算出する（Ｓ２０１）。次に、予測部４３が、外気温検出部１０及び室温検出部１１に基づいて、シャットオフ時間帯に必要となる暖房負荷を予測する（Ｓ２０２）。
【０１１８】
次に、運転計画部４４が、シャットオフの開始までに、現在蓄熱されている熱量とシャットオフ時間帯に必要となる暖房負荷との差分を、ヒートポンプ３０で生成する運転計画を立てる（Ｓ２０３）。つまり、Ｓ２０３で生熱される熱量は、室温を設定温度に保つために必要な熱量に、この差分の熱量を上積みした熱量に相当する。また、運転計画の立て方としては、例えばなるべく外気温が高いときにヒートポンプ３０を運転するなど、ヒートポンプ３０のＣＯＰがなるべく高い状態で運転させることが望ましい。
【０１１９】
制御指令部４６は、このようにして得られた運転計画に基づき、第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６、第１のポンプ１８、ファン２２等を制御する（Ｓ２０５）。この場合には、制御指令部４６は、切替弁６０を第１の凝縮器５３へと冷媒が向かうように切り替え、温水切替弁６１を温水が第２の凝縮器５７へ向かうように切り替える（Ｓ２０４）。
【０１２０】
以上の処理を、タンク２に必要な熱量が蓄熱されるまで繰り返し（Ｓ２０６:ＮＯ）、必要量に達した場合（Ｓ２０６:ＹＥＳ）、第１の圧縮機５２、第２の圧縮機５６、第１のポンプ１８、ファン２２への電力供給を停止し（Ｓ２０７）、エネルギー供給業者４に通知する（Ｓ２０８）。
【０１２１】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ暖房システム２００において、低圧側ヒートポンプサイクルのみを使用した場合の熱生成量（図１１Ａ）、室温の変化およびタンクの温度（図１１Ｂ）を説明する図である。具体的には、図１１Ａ及び図１１Ｂは、暖房運転時と蓄熱運転時とで、タンク２内の温水の温度が同じ場合、例えば暖房運転時の温度も５０℃付近で、蓄熱運転時の温度も５０℃とした場合の例である。
【０１２２】
また、図１２Ａ及び図１２Ｂは、発明の実施の形態２におけるヒートポンプ暖房システム２００において、低圧側ヒートポンプサイクル及び高圧側ヒートポンプサイクルを組み合わせて使用した場合の熱生成量（図１２Ａ）、室温の変化およびタンクの温度（図１２Ｂ）を説明する図である。具体的には、図１２Ａ及び図１２Ｂは、蓄熱運転時の温度が暖房運転時の温度よりも高く設定される場合、例えば暖房運転時の温度が５０℃付近で、蓄熱運転時の温度が７０℃付近とした場合である。
【０１２３】
また、図１１Ａ及び図１２Ａに示すように、シャットオフ時間帯は、図６Ａの場合と同様、１２：００から１３：００までと、１８：００から１９：００までの１日２回、各１時間である。また、事前シャットオフ信号を１０：００、１６：００に受信している。
【０１２４】
図１１Ａと図１２Ａとを比較すると、シャットオフ時間帯直前の熱生成量（斜線で示す部分）は、図１２Ａの方が大きいことが分かる。その結果、図１１Ｂと図１２Ｂとでタンク２の温度変化を比較すると、図１１Ｂのシャットオフ時間帯直前の温水温度が５０℃であるのに対し、図１２Ｂのシャットオフ時間帯直前の温水温度が７０℃と高い。このため、図１１Ｂと図１２Ｂとで、シャットオフ時間帯の前に事前に蓄熱できる熱量を比較すると、図１２Ｂの方が多い。したがって、図１１Ｂと図１２Ｂとの室温の変化を比較すれば明らかなように、シャットオフ時間帯の室温の低下を回避できる。このため、快適性を損なわずにシャットオフに対応することが可能となる。
【０１２５】
なお、蓄熱運転時の高温の温水の生成は、本実施の形態２における低圧側ヒートポンプサイクルと高圧側ヒートポンプサイクルとのカスケード使用により実現できるが、特にこれに限定されるものではない。例えばＲ４０７ＣやＲ７７４のような単一のヒートポンプサイクルにて、暖房時と蓄熱時とで生成する温水の温度を換えても良い。
【０１２６】
以上、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ暖房システム２００によれば、予めシャットオフ時間帯を通知された上で、図１１Ｂおよび図１２Ｂに示されるように、シャットオフ時間帯の開始までに高温の温水をタンク２に蓄えることができるため、シャットオフ時間帯の室温の低下を回避することができる。
【０１２７】
これにより、使用者の快適性を損なわずに、系統電力の安定化に寄与することができ、安価な電力料金を享受できる。この場合、系統電力の安定化に寄与できた電力のシャットオフ量は、約１．３ｋＷ（５．７２ｋＷｈ／（ＣＯＰ２．２×２時間））である。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明に係るヒートポンプ暖房機の制御方法は、系統電力の安定化に寄与する暖房システムとして有用である。
【符号の説明】
【０１２９】
１，３０      ヒートポンプ
２            タンク
３            ラジエータ
４            エネルギー供給業者
５            電力負荷
６            第１の電力メーター
７            第２の電力メーター
８，４０      暖房システム制御部
１０          外気温検出部
１１          室温検出部
１２          暖房流量検出部
１３          暖房温度検出部
１４          膨張弁
１５          圧縮機
１６          蒸発器
１７          凝縮器
１８          第１のポンプ
１９          混合弁
２０          第２のポンプ
２１          制御部
２２          ファン
５１          第１の蒸発器
５２          第１の圧縮機
５３          第１の凝縮器
５４          第１の膨張弁
５５          第２の蒸発器
５６          第２の圧縮機
５７          第２の凝縮器
５８          第２の膨張弁
５９          第３の凝縮器
６０          切替弁
６１          温水切替弁
４１，８１    通信部
４２，８２    状態検出部
４３，８３    予測部
４４，８４    運転計画部
４５，８５    制御切替部
４６，８６    制御指令部
１００        ヒートポンプ暖房装置
２００        ヒートポンプ暖房システム
【図１】
2012014406.tif 000003
【図２】
2012014406.tif 000004
【図３】
2012014406.tif 000005
【図４Ａ】
2012014406.tif 000006
【図４Ｂ】
2012014406.tif 000007
【図５Ａ】
2012014406.tif 000008
【図５Ｂ】
2012014406.tif 000009
【図６Ａ】
2012014406.tif 000010
【図６Ｂ】
2012014406.tif 000011
【図７】
2012014406.tif 000012
【図８】
2012014406.tif 000013
【図９Ａ】
2012014406.tif 000014
【図９Ｂ】
2012014406.tif 000015
【図１０】
2012014406.tif 000016
【図１１Ａ】
2012014406.tif 000017
【図１１Ｂ】
2012014406.tif 000018
【図１２Ａ】
2012014406.tif 000019
【図１２Ｂ】
2012014406.tif 000020
【国際調査報告】
2012014406.tif 000021
2012014406.tif 000022